Avalia����o experimental do comportamento din��mico de um edif��cio do s��culo XIX: aplica����o �� calibra����o de modelos num��ricos

Trabalho de Disserta����o de natureza cient��fica para obten����o do grau de Mestre em Engenharia Civil na ��rea de Especializa����o em Estruturas

Grelhas estruturais de elementos tubulares para aplica����o em estruturas secund��rias de navios

Disserta����o apresentada na Faculdade de Ci��ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obten����o do grau de Mestre em Engenharia Mec��nica

Modela����o num��rica de modelos experimentais de alvenaria de pedra tradicional

Disserta����o apresentada para obten����o do grau de Mestre em Engenharia Civil ��� Perfil de Constru����o, pela Faculdade de Ci��ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa

Estudo num��rico da adequa����o de diferentes tipos de leis coesivas na previs��o da resist��ncia de juntas adesivas por Modelos de Dano Coesivo

O uso de liga����es adesivas aumentou significativamente nos ��ltimos anos e �� hoje em dia uma t��cnica de liga����o dominante na ind��stria aeron��utica e autom��vel. As liga����es adesivas visam substituir os m��todos tradicionais de fixa����o mec��nicos na uni��o de estruturas. A melhoria ao longo dos anos de v��rios modelos de previs��o de dano, nomeadamente atrav��s do M��todo de Elementos Finitos (MEF), tem ajudado ao desenvolvimento desta t��cnica de liga����o. Os Modelos de Dano coesivo (MDC), usados em conjunto com MEF, s��o uma ferramenta vi��vel para a previs��o de resist��ncia de juntas adesivas. Os MDC combinam crit��rios da resist��ncia dos materiais para a inicia����o do dano e conceitos da mec��nica da fratura para a propaga����o da fenda. Existem diversas formas de leis coesivas poss��veis de aplicar em simula����es por MDC, em fun����o do comportamento expect��vel dos materiais que est��o a ser simulados. Neste trabalho, estudou-se numericamente o efeito de diversas formas de leis coesivas na previs��o no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas for��adeslocamento (P-���) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracteriza����o �� tra����o e ensaios End-Notched Flexure para carateriza����o ao corte. Tamb��m se estudou a influ��ncia dos par��metros coesivos �� tra����o e corte nas curvas P-��� dos referidos ensaios. Para o Araldite��AV138 �� tra����o e ao corte, a lei triangular �� a que melhor prev�� o comportamento do adesivo. Para a previs��o da resist��ncia de ambos os adesivos Araldite�� 2015 e SikaForce�� 7752, a lei trapezoidal �� a que melhor se adequa, confirmando assim que esta lei �� a que melhor caracteriza o comportamento de dano de adesivos tipicamente d��cteis. O estudo dos par��metros revelou influ��ncia distinta na previs��o do comportamento das juntas, embora com bastantes semelhan��as entre os diferentes tipos de adesivos.

Controlo de encurvadura de elementos de contraventamento com ligas com mem��ria de forma

Com este estudo pretende-se que seja poss��vel um avan��o promissor no controlo da encurvadura (passivo e ativo), bem como o desenvolvimento inicial de um sistema de contraventamento com base no conceito de tensegridade, com encurvadura controlada, em estruturas ao n��vel macrosc��pico, com recurso ��s propriedades singulares das Ligas com mem��ria de forma (LMF). A problem��tica inicial parte da an��lise da instabilidade de uma pe��a esbelta simples solicitada �� compress��o ��� coluna de Euler. A necessidade de controlar (ativa e passivamente) a encurvadura desta coluna leva ao desenvolvimento de sistemas de controlo com recurso ��s LMF. A aplica����o das ligas �� potenciada por desviadores, com duas configura����es, dispostos a meia altura da coluna, perpendiculares ao eixo de menor inercia da coluna. Os modelos s��o ensaiados experimentalmente, tendo tamb��m sido desenvolvidos modelos num��ricos, possibilitando uma completa an��lise do comportamento do sistema de controlo e da sua influ��ncia na resposta da coluna. No estudo foram utilizadas as ligas com o melhor perfil de adaptabilidade �� engenharia Civil, NiTi ��� liga de mem��ria de forma composta por N��quel e Tit��nio - que integraram um sistema de controlo de encurvadura. Fazem tamb��m parte desta disserta����o desenvolvimentos paralelos ao estudo principal atr��s referido. O ��mbito destes estudos paralelos �� centralizado na modela����o das LMF enquanto elementos de controlo estrutural utilizando software de c��lculo estrutural de elementos finitos. Destes desenvolvimentos resulta, para al��m do elemento de contraventamento dotado de LMF com base na tensegridade, a defini����o de um modelo constitutivo de LMF num software comercial de elementos finitos (SAP2000), com ampla divulga����o no c��lculo de estruturas de Engenharia Civil.

Reconstru����o e gera����o de malhas em estruturas biomec��nicas tridimensionais para an��lise por elemento finitos

Coordena����o de Aperfei��oamento de Pessoal de N��vel Superior (CAPES)

Diagnose de trincas em sistemas rotativos, utilizando modelos de falhas atrav��s da metodologia dos observadores de estados

Coordena����o de Aperfei��oamento de Pessoal de N��vel Superior (CAPES)

Cargas explosivas sobre pilares y forjados modelados con elementos tipo viga y l��mina

Los fen��menos de impacto y explosi��n sobre estructuras de hormig��n tienen efectos en muchos casos catastr��ficos a pesar de su reducida probabilidad. Las estructuras de hormig��n no suelen estar dise��adas para resistir este tipo de solicitaciones din��micas. El an��lisis num��rico mediante elementos finitos con integraci��n expl��cita permite una aproximaci��n suficiente a los efectos de la onda explosiva sobre pilares y forjados de estructuras reticuladas de hormig��n. Los materiales recientemente implementados en LS-Dyna para hormig��n como el CSCM [1], para elementos de continuo 3D, y la formulaci��n que proporciona la debida compatibilidad con los elementos viga de acero dispuestos de forma segregada, permite estudiar de forma realista modelos detallados de pilares y forjados. Pero las limitaciones computacionales hacen inviable emplear estos m��todos en estructuras completas. Como alternativa es posible usar modelos de elementos estructurales de vigas y l��minas para el an��lisis de estas estructuras. Sin embargo es necesario un adecuado ajuste de par��metros y propiedades en estos modelos. Este trabajo muestra un m��todo con en el que obtener modelos de elementos estructurales, elementos viga y l��mina, usando modelos de material [2] adecuados para ellos, junto a un procedimiento para incluir la armadura de forma adecuada. Utilizando este m��todo es posible representar con suficiente aproximaci��n el comportamiento de modelos detallados realistas de forjados y pilares de estructuras reticuladas de hormig��n frente a acciones explosivas, posibilitando el an��lisis de una estructura completa frente a explosi��n.

Estudio din��mico de puentes de ferrocarril sometidos a nuevos modelos de carga en el marco europeo

M��s all�� de la alta velocidad, y debido en parte a su ��xito, en los ��ltimos a��os han aparecido trenes de pasajeros capaces de circular a velocidades m��s elevadas y ser m��s eficientes (como, por ejemplo, los de tipo automotor). Adem��s, algunos de los antiguos modelos recogidos en las normativas parecen no cubrir determinados casos, lo que ha llevado a la reciente modificaci��n de ��stas. A todo esto se le a��ade la necesidad de crear una normativa com��n europea que establezca las bases para lograr la interoperabilidad. Con este proyecto se pretende estudiar los efectos din��micos en puentes de estas nuevas tipolog��as de trenes, haciendo especial hincapi�� en los trenes automotores. El trabajo se centra principalmente en puentes isost��ticos de luces cortas, por ser ��stos especialmente sensibles a este tipo de acciones. El par��metro cr��tico, en estos casos, son las aceleraciones en centro de vano. Se realizara el c��lculo din��mico por diferentes m��todos: elementos finitos, an��lisis modal, as�� como programas de integraci��n num��rica en Matlab de los modos de vibraci��n, analizando y comparando la efectividad de estos. Las diferencias entre la consideraci��n o no de la distribuci��n de las cargas transmitidas al tablero de la estructura de la v��a a ser��n discutidas en el proyecto, as�� como la interacci��n din��mica entre estructura y veh��culo. Finalmente se aplicar��n los conocimientos obtenidos a varios casos reales de puentes incluidos en la red ferroviaria espa��ola, como por ejemplo, el viaducto de alta velocidad del Jal��n. Los resultados de estos estudios tienen una repercusi��n en diversas normativas europeas actualmente en revisi��n y en las cuales est�� involucrado el Grupo de Mec��nica Computacional: EN15528 European Committee for Standarization (2008), EN1991-2 European Committee for Standarization (2003) y las Especificaciones T��cnicas de Interoperabilidad Ferroviaria (TSI).

Amplificador de se��al anal��gico basado en conceptos biomim��ticos. Desarrollo de modelos computacionales y validaci��n experimental

La presente tesis doctoral estudia las caracter��sticas de un transductor ac��stico bioinspirado en la estructura del maxilar inferior de un Zifio de Couvier (Ziphius cavirostris). El mecanismo de funcionamiento del sensor se basa en las caracter��sticas de un sistema acoplado formado por los distintos componentes ac��sticos identificados en el maxilar. Para analizar las caracter��sticas del sensor se propone un modelo simplificado 2D que consta de una cavidad cerrada con forma de bocina acoplada a una leng��eta. Una parte de la leng��eta se encuentra dentro de la cavidad y otra en el exterior. Dicha leng��eta detecta los cambios de presi��n ac��stica y las vibraciones generadas por el sonido y las transmite con ondas de flexi��n al interior de la cavidad. La excitaci��n prolongada sobre la placa puede provocar la activaci��n de los modos propios del sistema acoplado. Dichos modos se caracterizan porque presentan un m��ximo de presi��n en el cono de la bocina la cual a su vez act��a como un amplificador ac��stico. Mediante el M��todo de los elementos Finitos se analizan las caracter��sticas ac��sticas del sensor y se construye un prototipo experimental para validar los resultados evaluados en el modelo num��rico. Se propone una metodolog��a num��rica que permite desarrollar y validar un elemento tetra��drico para caracterizar el comportamiento isotr��pico de los medios porosos. La metodolog��a permite construir elementos de l��nea y bidimensionales. A partir de esta metodolog��a se desarrolla un elemento plano ortotr��pico. Se realiza un modelo de la cavidad en el que una de las paredes de la bocina est�� constituida por material poroso y se une la parte exterior de la leng��eta a dicho material para que constituya una viga sobre un apoyo el��stico. Se calcula la respuesta modal y se discuten los efectos del material poroso en la eficiencia del transductor y las posibles mejoras a introducir en el mismo. SUMMARY This Thesis studies the characteristics of an acoustic transducer bioinspired by the structure of the lower maxilla of an odontoceto. In this case a Cuvier���s beaked whale (Ziphius cavirostris). The transducer working mechanism is based in a coupled system, with components identified in the maxilla. To analyze the transducer a simplified 2D model composed by a horn shaped closed cavity is modeled. The cavity is coupled with a flat belt. The belt has one part inside the cavity and the other part outside of it. The belt traverses the cavity wall and it is in charge to pick the vibrations from outside and introduce it inside the cavity. The transmission is obtained through the belt bending. A sustained external load with the right frequency contents will allow the system to reach a stationary pressure intensity distribution inside the cavity. Frequencies with modal shapes that show an important intensity increase at the horn tip are of special interest because of the signal amplification. A finite element model is constructed to study the transducer coupled modes and a prototype is constructed to validate the numerical results. A numerical methodology to construct and validate a tetrahedral finite element for isotropic porous materials is presented. The methodology allows constructing linear and 2D elements. It is extended to model orthotropic porous materials behavior. At the end, one of the horn walls is made of an orthotropic material and the external belt is glued to it in order to configure a belt over an elastic foundation. Modal response is evaluated and the porous material effects in the transducer efficiency and further improvements are discussed.

Modelos num��ricos en la construcci��n de los t��neles de "El Padr��n"

La construcci��n de los t��neles de El Padr��n constituye un hito en la realizaci��n de obras subterr��neas en Espa��a. Su ejecuci��n se ha caracterizado por la utilizaci��n de la m��s reciente tecnolog��a. La aplicaci��n del llamado Nuevo M��todo Austriaco de Construcci��n de T��neles (NATM) como base del proyecto se ha llevado a cabo con rigor en todos sus extremos. De acuerdo a esta filosof��a, el trabajo de la Asistencia T��cnica se ha centrado en una doble l��nea: el control instrumental sistem��tico de la obra, y la interpretaci��n de los datos recogidos mediante an��lisis num��rico. El primer objetivo se ha cubierto mediante un ambicioso plan de instrumentaci��n. En ��l se han incluido medidas para la caracterizaci��n del sistema terreno-sostenimiento. La informaci��n se ha mantenido centralizada en una base de datos dispuesta a pie de obra. Los datos recogidos de la instrumentaci��n han sido la base de modelos te��ricos desarrollados con el objetivo de interpretar la evoluci��n de convergencias e identificar las presiones actuantes sobre el sostenimiento. Por otro lado, en el an��lisis de estabilidad exterior e interior se han aplicado refinadas t��cnicas de c��lculo num��rico (Elementos Finitos, Elementos de Contorno, Teor��a de Bloques etc.). Finalmente, se ha desarrollado una aplicaci��n espec��fica de M��todos de Fiabilidad. En ella se aborda, con un planteamiento avanzado, el problema de evaluaci��n de la seguridad de la obra.

Simulaci��n en tiempo real de veh��culos industriales con modelos multicuerpo de gran complejidad

El objetivo de esta Tesis ha sido la consecuci��n de simulaciones en tiempo real de veh��culos industriales modelizados como sistemas multicuerpo complejos formados por s��lidos r��gidos. Para el desarrollo de un programa de simulaci��n deben considerarse cuatro aspectos fundamentales: la modelizaci��n del sistema multicuerpo (tipos de coordenadas, pares ideales o impuestos mediante fuerzas), la formulaci��n a utilizar para plantear las ecuaciones diferenciales del movimiento (coordenadas dependientes o independientes, m��todos globales o topol��gicos, forma de imponer las ecuaciones de restricci��n), el m��todo de integraci��n num��rica para resolver estas ecuaciones en el tiempo (integradores expl��citos o impl��citos) y finalmente los detalles de la implementaci��n realizada (lenguaje de programaci��n, librer��as matem��ticas, t��cnicas de paralelizaci��n). Estas cuatro etapas est��n interrelacionadas entre s�� y todas han formado parte de este trabajo. Desde la generaci��n de modelos de una furgoneta y de cami��n con semirremolque, el uso de tres formulaciones din��micas diferentes, la integraci��n de las ecuaciones diferenciales del movimiento mediante m��todos expl��citos e impl��citos, hasta el uso de funciones BLAS, de t��cnicas de matrices sparse y la introducci��n de paralelizaci��n para utilizar los distintos n��cleos del procesador. El trabajo presentado en esta Tesis ha sido organizado en 8 cap��tulos, dedic��ndose el primero de ellos a la Introducci��n. En el Cap��tulo 2 se presentan dos formulaciones semirrecursivas diferentes, de las cuales la primera est�� basada en una doble transformaci��n de velocidades, obteni��ndose las ecuaciones diferenciales del movimiento en funci��n de las aceleraciones relativas independientes. La integraci��n num��rica de estas ecuaciones se ha realizado con el m��todo de Runge-Kutta expl��cito de cuarto orden. La segunda formulaci��n est�� basada en coordenadas relativas dependientes, imponiendo las restricciones por medio de penalizadores en posici��n y corrigiendo las velocidades y aceleraciones mediante m��todos de proyecci��n. En este segundo caso la integraci��n de las ecuaciones del movimiento se ha llevado a cabo mediante el integrador impl��cito HHT (Hilber, Hughes and Taylor), perteneciente a la familia de integradores estructurales de Newmark. En el Cap��tulo 3 se introduce la tercera formulaci��n utilizada en esta Tesis. En este caso las uniones entre los s��lidos del sistema se ha realizado mediante uniones flexibles, lo que obliga a imponer los pares por medio de fuerzas. Este tipo de uniones impide trabajar con coordenadas relativas, por lo que la posici��n del sistema y el planteamiento de las ecuaciones del movimiento se ha realizado utilizando coordenadas Cartesianas y par��metros de Euler. En esta formulaci��n global se introducen las restricciones mediante fuerzas (con un planteamiento similar al de los penalizadores) y la estabilizaci��n del proceso de integraci��n num��rica se realiza tambi��n mediante proyecciones de velocidades y aceleraciones. En el Cap��tulo 4 se presenta una revisi��n de las principales herramientas y estrategias utilizadas para aumentar la eficiencia de las implementaciones de los distintos algoritmos. En primer lugar se incluye una serie de consideraciones b��sicas para aumentar la eficiencia num��rica de las implementaciones. A continuaci��n se mencionan las principales caracter��sticas de los analizadores de c��digos utilizados y tambi��n las librer��as matem��ticas utilizadas para resolver los problemas de ��lgebra lineal tanto con matrices densas como sparse. Por ��ltimo se desarrolla con un cierto detalle el tema de la paralelizaci��n en los actuales procesadores de varios n��cleos, describiendo para ello el patr��n empleado y las caracter��sticas m��s importantes de las dos herramientas propuestas, OpenMP y las TBB de Intel. Hay que se��alar que las caracter��sticas de los sistemas multicuerpo ���problemas de peque��o tama��o, frecuente uso de la recursividad, y repetici��n intensiva en el tiempo de los c��lculos con fuerte dependencia de los resultados anteriores��� dificultan extraordinariamente el uso de t��cnicas de paralelizaci��n frente a otras ��reas de la mec��nica computacional, tales como por ejemplo el c��lculo por elementos finitos. Bas��ndose en los conceptos mencionados en el Cap��tulo 4, el Cap��tulo 5 est�� dividido en tres secciones, una para cada formulaci��n propuesta en esta Tesis. En cada una de estas secciones se describen los detalles de c��mo se han realizado las distintas implementaciones propuestas para cada algoritmo y qu�� herramientas se han utilizado para ello. En la primera secci��n se muestra el uso de librer��as num��ricas para matrices densas y sparse en la formulaci��n topol��gica semirrecursiva basada en la doble transformaci��n de velocidades. En la segunda se describe la utilizaci��n de paralelizaci��n mediante OpenMP y TBB en la formulaci��n semirrecursiva con penalizadores y proyecciones. Por ��ltimo, se describe el uso de t��cnicas de matrices sparse y paralelizaci��n en la formulaci��n global con uniones flexibles y par��metros de Euler. El Cap��tulo 6 describe los resultados alcanzados mediante las formulaciones e implementaciones descritas previamente. Este cap��tulo comienza con una descripci��n de la modelizaci��n y topolog��a de los dos veh��culos estudiados. El primer modelo es un veh��culo de dos ejes del tipo chasis-cabina o furgoneta, perteneciente a la gama de veh��culos de carga medianos. El segundo es un veh��culo de cinco ejes que responde al modelo de un cami��n o cabina con semirremolque, perteneciente a la categor��a de veh��culos industriales pesados. En este cap��tulo adem��s se realiza un estudio comparativo entre las simulaciones de estos veh��culos con cada una de las formulaciones utilizadas y se presentan de modo cuantitativo los efectos de las mejoras alcanzadas con las distintas estrategias propuestas en esta Tesis. Con objeto de extraer conclusiones m��s f��cilmente y para evaluar de un modo m��s objetivo las mejoras introducidas en la Tesis, todos los resultados de este cap��tulo se han obtenido con el mismo computador, que era el top de la gama Intel Xeon en 2007, pero que hoy d��a est�� ya algo obsoleto. Por ��ltimo los Cap��tulos 7 y 8 est��n dedicados a las conclusiones finales y las futuras l��neas de investigaci��n que pueden derivar del trabajo realizado en esta Tesis. Los objetivos de realizar simulaciones en tiempo real de veh��culos industriales de gran complejidad han sido alcanzados con varias de las formulaciones e implementaciones desarrolladas. ABSTRACT The objective of this Dissertation has been the achievement of real time simulations of industrial vehicles modeled as complex multibody systems made up by rigid bodies. For the development of a simulation program, four main aspects must be considered: the modeling of the multibody system (types of coordinates, ideal joints or imposed by means of forces), the formulation to be used to set the differential equations of motion (dependent or independent coordinates, global or topological methods, ways to impose constraints equations), the method of numerical integration to solve these equations in time (explicit or implicit integrators) and the details of the implementation carried out (programming language, mathematical libraries, parallelization techniques). These four stages are interrelated and all of them are part of this work. They involve the generation of models for a van and a semitrailer truck, the use of three different dynamic formulations, the integration of differential equations of motion through explicit and implicit methods, the use of BLAS functions and sparse matrix techniques, and the introduction of parallelization to use the different processor cores. The work presented in this Dissertation has been structured in eight chapters, the first of them being the Introduction. In Chapter 2, two different semi-recursive formulations are shown, of which the first one is based on a double velocity transformation, thus getting the differential equations of motion as a function of the independent relative accelerations. The numerical integration of these equations has been made with the Runge-Kutta explicit method of fourth order. The second formulation is based on dependent relative coordinates, imposing the constraints by means of position penalty coefficients and correcting the velocities and accelerations by projection methods. In this second case, the integration of the motion equations has been carried out by means of the HHT implicit integrator (Hilber, Hughes and Taylor), which belongs to the Newmark structural integrators family. In Chapter 3, the third formulation used in this Dissertation is presented. In this case, the joints between the bodies of the system have been considered as flexible joints, with forces used to impose the joint conditions. This kind of union hinders to work with relative coordinates, so the position of the system bodies and the setting of the equations of motion have been carried out using Cartesian coordinates and Euler parameters. In this global formulation, constraints are introduced through forces (with a similar approach to the penalty coefficients) are presented. The stabilization of the numerical integration is carried out also by velocity and accelerations projections. In Chapter 4, a revision of the main computer tools and strategies used to increase the efficiency of the implementations of the algorithms is presented. First of all, some basic considerations to increase the numerical efficiency of the implementations are included. Then the main characteristics of the code��� analyzers used and also the mathematical libraries used to solve linear algebra problems (both with dense and sparse matrices) are mentioned. Finally, the topic of parallelization in current multicore processors is developed thoroughly. For that, the pattern used and the most important characteristics of the tools proposed, OpenMP and Intel TBB, are described. It needs to be highlighted that the characteristics of multibody systems ���small size problems, frequent recursion use and intensive repetition along the time of the calculation with high dependencies of the previous results��� complicate extraordinarily the use of parallelization techniques against other computational mechanics areas, as the finite elements computation. Based on the concepts mentioned in Chapter 4, Chapter 5 is divided into three sections, one for each formulation proposed in this Dissertation. In each one of these sections, the details of how these different proposed implementations have been made for each algorithm and which tools have been used are described. In the first section, it is shown the use of numerical libraries for dense and sparse matrices in the semirecursive topological formulation based in the double velocity transformation. In the second one, the use of parallelization by means OpenMP and TBB is depicted in the semi-recursive formulation with penalization and projections. Lastly, the use of sparse matrices and parallelization techniques is described in the global formulation with flexible joints and Euler parameters. Chapter 6 depicts the achieved results through the formulations and implementations previously described. This chapter starts with a description of the modeling and topology of the two vehicles studied. The first model is a two-axle chassis-cabin or van like vehicle, which belongs to the range of medium charge vehicles. The second one is a five-axle vehicle belonging to the truck or cabin semi-trailer model, belonging to the heavy industrial vehicles category. In this chapter, a comparative study is done between the simulations of these vehicles with each one of the formulations used and the improvements achieved are presented in a quantitative way with the different strategies proposed in this Dissertation. With the aim of deducing the conclusions more easily and to evaluate in a more objective way the improvements introduced in the Dissertation, all the results of this chapter have been obtained with the same computer, which was the top one among the Intel Xeon range in 2007, but which is rather obsolete today. Finally, Chapters 7 and 8 are dedicated to the final conclusions and the future research projects that can be derived from the work presented in this Dissertation. The objectives of doing real time simulations in high complex industrial vehicles have been achieved with the formulations and implementations developed.

Generaci��n de modelos f��sicos personalizados y segmentaci��n de la pared arterial y el trombo intraluminal en im��genes de aneurismas a��rticos abdominales

Esta tesis doctoral est�� encuadrada dentro del marco general de la ingenier��a biom��dica aplicada al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, enfermedades que provocan alrededor de 1.9 millones (40%) de muertes al a��o en la Uni��n Europea. En este contexto surge el proyecto europeo SCATh-Smart Catheterization, cuyo objetivo principal es mejorar los procedimientos de cateterismo a��rtico introduciendo nuevas tecnolog��as de planificaci��n y navegaci��n quir��rgica y minimizando el uso de fluoroscop��a. En particular, esta tesis aborda el modelado y diagn��stico de aneurismas a��rticos abdominales (AAA) y del trombo intraluminal (TIL), all�� donde est�� presente, as�� como la segmentaci��n de estas estructuras en im��genes preoperatorias de RM. Los modelos f��sicos espec��ficos del paciente, construidos a partir de im��genes m��dicas preoperatorias, tienen m��ltiples usos, que van desde la evaluaci��n preoperatoria de estructuras anat��micas a la planificaci��n quir��rgica para el guiado de cat��teres. En el diagn��stico y tratamiento de AAA, los modelos f��sicos son ��tiles a la hora de evaluar diversas variables biomec��nicas y fisiol��gicas de las estructuras vasculares. Existen m��ltiples t��cnicas que requieren de la generaci��n de modelos f��sicos que representen la anatom��a vascular. Una de las principales aplicaciones de los modelos f��sicos es el an��lisis de elementos finitos (FE). Las simulaciones de FE para AAA pueden ser espec��ficas para el paciente y permiten modelar estados de estr��s complejos, incluyendo los efectos provocados por el TIL. La aplicaci��n de m��todos num��ricos de an��lisis tiene como requisito previo la generaci��n de una malla computacional que representa la geometr��a de inter��s mediante un conjunto de elementos poli��dricos, siendo los hexa��dricos los que presentan mejores resultados. En las estructuras vasculares, generar mallas hexa��dricas es un proceso especialmente exigente debido a la compleja anatom��a 3D ramificada. La mayor��a de los AAA se encuentran situados en la bifurcaci��n de la arteria aorta en las arterias iliacas y es necesario modelar de manera fiel dicha bifurcaci��n. En el caso de que la sangre se estanque en el aneurisma provocando un TIL, ��ste forma una estructura adyacente a la pared a��rtica. De este modo, el contorno externo del TIL es el mismo que el contorno interno de la pared, por lo que las mallas resultantes deben reflejar esta particularidad, lo que se denomina como "mallas conformadas". El fin ��ltimo de este trabajo es modelar las estructuras vasculares de modo que proporcionen nuevas herramientas para un mejor diagn��stico cl��nico, facilitando medidas de riesgo de rotura de la arteria, presi��n sist��lica o diast��lica, etc. Por tanto, el primer objetivo de esta tesis es dise��ar un m��todo novedoso y robusto para generar mallas hexa��dricas tanto de la pared a��rtica como del trombo. Para la identificaci��n de estas estructuras se utilizan im��genes de resonancia magn��tica (RM). Deben mantenerse sus propiedades de adyacencia utilizando elementos de alta calidad, prestando especial atenci��n al modelado de la bifurcaci��n y a que sean adecuadas para el an��lisis de FE. El m��todo tiene en cuenta la evoluci��n de la l��nea central del vaso en el espacio tridimensional y genera la malla directamente a partir de las im��genes segmentadas, sin necesidad de reconstruir superficies triangulares. Con el fin de reducir la intervenci��n del usuario en el proceso de generaci��n de las mallas, es tambi��n objetivo de esta tesis desarrollar un m��todo de segmentaci��n semiautom��tica de las distintas estructuras de inter��s. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son: 1. El dise��o, implementaci��n y evaluaci��n de un algoritmo de generaci��n de mallas hexa��dricas conformadas de la pared y el TIL a partir de los contornos segmentados en im��genes de RM. Se ha llevado a cabo una evaluaci��n de calidad que determine su aplicabilidad a m��todos de FE. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado genera mallas conformadas de alta calidad incluso en la regi��n de la bifurcaci��n, que son adecuadas para su uso en m��todos de an��lisis de FE. 2. El dise��o, implementaci��n y evaluaci��n de un m��todo de segmentaci��n autom��tico de las estructuras de inter��s. La luz arterial se segmenta de manera semiautom��tica utilizando un software disponible a partir de im��genes de RM con contraste. Los resultados de este proceso sirven de inicializaci��n para la segmentaci��n autom��tica de las caras interna y externa de la pared a��rtica utilizando m��todos basado en modelos de textura y forma a partir de im��genes de RM sin contraste. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado proporciona segmentaciones fieles de las distintas estructuras de inter��s. En conclusi��n, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hip��tesis de investigaci��n postuladas, y pretende servir como aportaci��n para futuros avances en la generaci��n de modelos f��sicos de geometr��as biol��gicas. ABSTRACT The frame of this PhD Thesis is the biomedical engineering applied to the treatment of cardiovascular diseases, which cause around 1.9 million deaths per year in the European Union and suppose about 40% of deaths per year. In this context appears the European project SCATh-Smart Catheterization. The main objective of this project is creating a platform which improves the navigation of catheters in aortic catheterization minimizing the use of fluoroscopy. In the framework of this project, the specific field of this PhD Thesis is the diagnosis and modeling of abdominal aortic aneurysm (AAAs) and the intraluminal thrombus (ILT) whenever it is present. Patient-specific physical models built from preoperative imaging are becoming increasingly important in the area of minimally invasive surgery. These models can be employed for different purposes, such as the preoperatory evaluation of anatomic structures or the surgical planning for catheter guidance. In the specific case of AAA diagnosis and treatment, physical models are especially useful for evaluating pressures over vascular structures. There are multiple techniques that require the generation of physical models which represent the target anatomy. Finite element (FE) analysis is one the principal applications for physical models. FE simulations for AAA may be patient-specific and allow modeling biomechanical and physiological variables including those produced by ILT, and also the segmentation of those anatomical structures in preoperative MR images. Applying numeric methods requires the generation of a proper computational mesh. These meshes represent the patient anatomy using a set of polyhedral elements, with hexahedral elements providing better results. In the specific case of vascular structures, generating hexahedral meshes is a challenging task due to the complex 3D branching anatomy. Each patient���s aneurysm is unique, characterized by its location and shape, and must be accurately represented for subsequent analyses to be meaningful. Most AAAs are located in the region where the aorta bifurcates into the iliac arteries and it is necessary to model this bifurcation precisely and reliably. If blood stagnates in the aneurysm and forms an ILT, it exists as a conforming structure with the aortic wall, i.e. the ILT���s outer contour is the same as the wall���s inner contour. Therefore, resulting meshes must also be conforming. The main objective of this PhD Thesis is designing a novel and robust method for generating conforming hexahedral meshes for the aortic wall and the thrombus. These meshes are built using largely high-quality elements, especially at the bifurcation, that are suitable for FE analysis of tissue stresses. The method accounts for the evolution of the vessel���s centerline which may develop outside a single plane, and generates the mesh directly from segmented images without the requirement to reconstruct triangular surfaces. In order to reduce the user intervention in the mesh generation process is also a goal of this PhD. Thesis to develop a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The segmentation is performed from magnetic resonance image (MRI) sequences that have tuned to provide high contrast for the arterial tissue against the surrounding soft tissue, so that we determine the required information reliably. The main contributions of this PhD Thesis are: 1. The design, implementation and evaluation of an algorithm for generating hexahedral conforming meshes of the arterial wall and the ILT from the segmented contours. A quality inspection has been applied to the meshes in order to determine their suitability for FE methods. Results show that the developed algorithm generates high quality conforming hexahedral meshes even at the bifurcation region. Thus, these meshes are suitable for FE analysis. 2. The design, implementation and evaluation of a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The lumen is segmented in a semiautomatic way from contrast filled MRI using an available software. The results obtained from this process are used to initialize the automatic segmentation of the internal and external faces of the aortic wall. These segmentations are performed by methods based on texture and shape models from MRI with no contrast. The results show that the algorithm provides faithful segmentations of the structures of interest requiring minimal user intervention. In conclusion, the work undertaken in this PhD. Thesis verifies the investigation hypotheses. It intends to serve as basis for future physical model generation of proper biological anatomies used by numerical methods.

Influencia del computador en la aparici��n de nuevos modelos en la ingenier��a

Esta conferencia pertenece a la primera parte del curso de la Universidad Internacional Men��ndez Pelayo "Impacto del computador y riesgos naturales en la ingenier��a" celebrado en Santander del 16 al 27 de agosto de 1982. Se analiza la influencia del computador en el c��lculo de estructuras, no s��lo, en la velocidad de resoluci��n y c��lculo, sino en el grado de generalidad del an��lisis. El computador ha supuesto un importante cambio de planteamiento de todas las teor��as de estructuras continuas con la introducci��n del m��todo de los elementos finitos, que permite unificar y ampliar el tratamiento dado a las estructuras discretas (compuestas por barras) con los procedimientos de c��lculo de placas y l��minas

Modelos sin malla en simulaci��n num��rica de estructuras aeroespaciales

La presente Tesis Doctoral aborda la introducci��n de la Partici��n de Unidad de Bernstein en la forma d��bil de Galerkin para la resoluci��n de problemas de condiciones de contorno en el ��mbito del an��lisis estructural. La familia de funciones base de Bernstein conforma un sistema generador del espacio de funciones polin��micas que permite construir aproximaciones num��ricas para las que no se requiere la existencia de malla: las funciones de forma, de soporte global, dependen ��nicamente del orden de aproximaci��n elegido y de la parametrizaci��n o mapping del dominio, estando las posiciones nodales impl��citamente definidas. El desarrollo de la formulaci��n est�� precedido por una revisi��n bibliogr��fica que, con su punto de partida en el M��todo de Elementos Finitos, recorre las principales t��cnicas de resoluci��n sin malla de Ecuaciones Diferenciales en Derivadas Parciales, incluyendo los conocidos como M��todos Meshless y los m��todos espectrales. En este contexto, en la Tesis se somete la aproximaci��n Bernstein-Galerkin a validaci��n en tests uni y bidimensionales cl��sicos de la Mec��nica Estructural. Se estudian aspectos de la implementaci��n tales como la consistencia, la capacidad de reproducci��n, la naturaleza no interpolante en la frontera, el planteamiento con refinamiento h-p o el acoplamiento con otras aproximaciones num��ricas. Un bloque importante de la investigaci��n se dedica al an��lisis de estrategias de optimizaci��n computacional, especialmente en lo referente a la reducci��n del tiempo de m��quina asociado a la generaci��n y operaci��n con matrices llenas. Finalmente, se realiza aplicaci��n a dos casos de referencia de estructuras aeron��uticas, el an��lisis de esfuerzos en un angular de material anisotr��pico y la evaluaci��n de factores de intensidad de esfuerzos de la Mec��nica de Fractura mediante un modelo con Partici��n de Unidad de Bernstein acoplada a una malla de elementos finitos. ABSTRACT This Doctoral Thesis deals with the introduction of Bernstein Partition of Unity into Galerkin weak form to solve boundary value problems in the field of structural analysis. The family of Bernstein basis functions constitutes a spanning set of the space of polynomial functions that allows the construction of numerical approximations that do not require the presence of a mesh: the shape functions, which are globally-supported, are determined only by the selected approximation order and the parametrization or mapping of the domain, being the nodal positions implicitly defined. The exposition of the formulation is preceded by a revision of bibliography which begins with the review of the Finite Element Method and covers the main techniques to solve Partial Differential Equations without the use of mesh, including the so-called Meshless Methods and the spectral methods. In this context, in the Thesis the Bernstein-Galerkin approximation is subjected to validation in one- and two-dimensional classic benchmarks of Structural Mechanics. Implementation aspects such as consistency, reproduction capability, non-interpolating nature at boundaries, h-p refinement strategy or coupling with other numerical approximations are studied. An important part of the investigation focuses on the analysis and optimization of computational efficiency, mainly regarding the reduction of the CPU cost associated with the generation and handling of full matrices. Finally, application to two reference cases of aeronautic structures is performed: the stress analysis in an anisotropic angle part and the evaluation of stress intensity factors of Fracture Mechanics by means of a coupled Bernstein Partition of Unity - finite element mesh model.